(57)【要約】【課題】１回転内の角度検出と多回転量を検出できる小型で消費電力の小さい磁気式エンコーダ装置を得る。【解決手段】信号処理回路６内の電圧モニタ回路６１によって、外部電源の供給を感知し、モニタ信号を駆動回路５に入力する。駆動回路５は、外部電源が供給されているときは、１回転内角度信号と多回転信号が検出できるよう磁界検出素子４に充分な駆動電流を供給する。外部電源が遮断されバッテリ電源が供給されているときは、多回転信号のみを検出するのに必要な小さな駆動電流を供給する。【選択図】図１
2007114155.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体の回転軸に対して垂直方向の一方向に磁化され前記回転体に固定された永久磁石と、前記永久磁石に空隙を介して対向し、固定体に取り付けられた少なくとも２つ以上の磁界検出素子と、
前記磁界検出素子を駆動する駆動回路と、前記磁界検出素子からの信号を処理する信号処理回路とを備えた磁気式エンコーダ装置において、
前記信号処理回路は、外部電源の供給を感知する電圧モニタ回路を備え、
前記電圧モニタ回路の信号に応じて、前記磁界検出素子の駆動電流を変更することを特徴とする磁気式エンコーダ装置。
【請求項２】
回転体に固定されたリング形状永久磁石とリング形状磁気ヨークで構成された磁界発生ロータと、前記磁界発生ロータに空隙を介して対向し、固定体に取り付けられた少なくとも２つ以上の磁界検出素子と、
前記磁界検出素子を駆動する駆動回路と、前記磁界検出素子からの信号を処理する信号処理回路とを備えた磁気式エンコーダ装置において、
前記信号処理回路は、外部電源の供給を感知する電圧モニタ回路を備え、
前記電圧モニタ回路の信号に応じて、前記磁界検出素子の駆動電流を変更することを特徴とする磁気式エンコーダ装置。
【請求項３】
前記駆動回路は、前記磁界検出素子に駆動電流を供給する定電流源と、前記定電流源の電流値を指令する少なくとも２つ以上の電流指令値を有する電流設定手段と、前記電圧モニタ回路の信号により前記電流指令値を選択する選択回路を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気式エンコーダ装置。
【請求項４】
前記信号処理回路は、前記磁界検出素子の信号を増幅する差動増幅器を備え、前記差動増幅器の出力を分岐した一方の出力から１回転内角度信号を生成し、もう一方の出力から多回転信号を生成することを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気式エンコーダ装置。
【請求項５】
前記信号処理回路は、前記磁界検出素子の信号を増幅する差動増幅器を備え、前記差動増幅器の出力から１回転内角度信号を生成し、前記磁界検出素子の信号から多回転信号を生成することを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気式エンコーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業用ロボット、ＮＣ工作機械等に用いられるモータの回転位置を検出する磁気式エンコーダ装置に関し、特に、消費電力を低減できる磁気式エンコーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転体の回転軸に対して垂直方向の一方向に磁化され回転体に固定された永久磁石の磁界を磁界検出素子で検出し、１回転内の角度を検出する磁気式エンコーダ装置が開示されている。（例えば、特許文献１参照）。
図７は従来の磁気式エンコーダ装置の構成図である。
図７において、１は回転体、２は回転体１の端部に固定された円板状の発磁体を構成する永久磁石で、永久磁石２は回転体１の軸方向に対して垂直な一方向に磁化されている。３は永久磁石２の外周側に設けられたリング状の固定体、４は回転体１の回転中心に対し同心円状にして設けられ、且つ、固定体３の周方向に等間隔に配設された磁界検出素子であって、４個の磁界検出素子４１、４２、４３、４４から構成されている。これらの磁界検出素子４は、永久磁石２の外周面に対して空隙を介して対向し、且つ、互いに電気角で９０度位相をずらしてＡ1相検出素子４１とＢ1相検出素子４２を設け、さらにＡ1相検出素子４１に対して電気角で１８０度位相をずらしてＡ2相検出素子４３を、Ｂ1相検出素子４２に対して電気角で１８０度位相をずらしてＢ2相検出素子４４を設けている。
また、図８は信号処理回路のブロック図である。
図８において、６は信号処理回路で、差動増幅器６２、６３および角度演算回路６４から構成される。
【０００３】
次に、動作について説明する。
回転体１が回転すると、回転体１に固定された永久磁石２が回転する。磁界検出素子４は、永久磁石２の発生する磁界を検出し、回転角に対して１回転に１周期の正弦波状の信号を出力する。なお、このように１回転に１周期の信号を出力するエンコーダを１Ｘ型エンコーダと呼ぶ。
差動増幅器６２は、Ａ1相検出素子４１からの検出信号であるＡ1信号（Ｖa1）とＡ２相検出素子４３からの検出信号であるＡ2信号（Ｖa2）の入力を受けて両信号の差動信号Ｖaを出力する。また、差動増幅器６３は、Ｂ1相検出素子４２からの検出信号であるＢ1信号（Ｖｂ1）とＢ２相検出素子４４からの検出信号であるＢ2信号（Ｖｂ2）の入力を受けて両信号の差動信号Ｖｂを出力する。差動信号ＶaとＶbはお互いに９０度位相の異なる信号となる。角度演算回路６４、は差動信号ＶaとＶbからａｒｃｔａｎ（Ｖa／Ｖb）の演算を行って回転角度を演算する。
このように、従来の１Ｘ型エンコーダは、一方向に磁化された永久磁石が発する磁界を磁界検出素子により検出して信号処理回路により角度演算を行い、１回転内角度を検出していた。
【特許文献１】ＷＯ９９／０１３２９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の１Ｘ型エンコーダは、多回転量を検出する手段を持たず、１回転内角度のみを検出していた。多回転量を検出するため、従来の１Ｘ型エンコーダの信号処理回路に多回転検出回路を付加し、磁界検出素子からの信号をこの多回転検出回路に入力することにより、多回転量を検出することは可能である。しかし、瞬時停電等の外部電源遮断時においても多回転量の情報を持ち続けるためには、バッテリ等のバックアップ電源を用いて磁界検出素子および付加した多回転検出回路に連続して通電する必要がある。
この場合、特に、磁界検出素子の消費電流が大きく、バッテリ交換を頻繁に行う必要があった。従って、長時間の連続運転を要求される機械装置への適用が難しく、磁気式エンコーダ装置の適用範囲を狭めるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、回転体の回転軸に対して垂直方向の一方向に磁化され前記回転体に固定された永久磁石と、前記永久磁石に空隙を介して対向し固定体等に取り付けられた少なくとも２つ以上の磁界検出素子と、前記磁界検出素子を駆動する駆動回路と、前記磁界検出素子からの信号を処理する信号処理回路とを備えた磁気式エンコーダ装置において、前記信号処理回路は、外部電源の供給を感知する電圧モニタ回路を備え、前記電圧モニタ回路の信号に応じて、前記磁界検出素子の駆動電流を変更することを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、回転体に固定されたリング形状永久磁石とリング形状磁気ヨークで構成された磁界発生ロータと、前記磁界発生ロータに空隙を介して対向し、固定体に取り付けられた少なくとも２つ以上の磁界検出素子と、前記磁界検出素子を駆動する駆動回路と、前記磁界検出素子からの信号を処理する信号処理回路とを備えた磁気式エンコーダ装置において、前記信号処理回路は、外部電源の供給を感知する電圧モニタ回路を備え、前記電圧モニタ回路の信号に応じて、前記磁界検出素子の駆動電流を変更することを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、前記駆動回路は、前記磁界検出素子に駆動電流を供給する定電流源と、前記定電流源の電流値を指令する少なくとも２つ以上の電流指令値を有する電流設定手段と、前記電圧モニタ回路の信号により前記電流指令値を選択する選択回路を備えたことを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明は、前記信号処理回路は、前記磁界検出素子の信号を増幅する差動増幅器を備え、前記差動増幅器の出力を分岐した一方の出力から１回転内角度信号を生成し、もう一方の出力から多回転信号を生成することを特徴としている。
また、請求項５に記載の発明は、前記信号処理回路は、前記磁界検出素子の信号を増幅する差動増幅器を備え、前記差動増幅器の出力から１回転内角度信号を生成し、前記磁界検出素子の信号から多回転信号を生成することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１に記載の発明によると、外部電源の供給を感知する電圧モニタ回路の信号に応じて、磁界検出素子の駆動電流を変更しているので、バッテリ駆動時に低消費電力化できる。従って頻繁にバッテリを交換する必要が無いので、保守性の良い磁気式エンコーダ装置を提供することができる。
請求項２に記載の発明によると、回転体に固定されたリング形状永久磁石を有するアウターロータ構造の磁気式エンコーダにおいて、外部電源の供給を感知する電圧モニタ回路の信号に応じて、磁界検出素子の駆動電流を変更しているので、バッテリ駆動時に低消費電力化できる。従って頻繁にバッテリを交換する必要が無いので、保守性の良いアウターロータ構造の磁気式エンコーダ装置を提供することができる。
また、請求項３に記載の発明によると、駆動回路が、磁界検出素子に駆動電流を供給する定電流源と、定電流源の電流値を指令する少なくとも２つ以上の電流指令値を有する電流設定手段と、電圧モニタ回路の信号により前記電流指令値を選択する選択回路を備えれば、電圧モニタ回路の信号にしたがって、バッテリ駆動時に自動的に磁界検出素子の駆動電流を低減出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００８】
図１は、本発明の第１実施例を示す磁気式エンコーダ装置の構成図である。
図１において、１は回転体、２は回転体１に固定された永久磁石、３は固定体、４は永久磁石２に空隙を介して対向し、固定体３に取り付けられた４つの磁界検出素子、５は磁界検出素子を駆動する駆動回路、６は磁界検出素子４の出力信号から位置信号を生成する信号処理回路である。また、信号処理回路６は外部電源の状態を検出する電圧モニタ回路６１を備えている。
永久磁石２は、フェライト系磁石で形成し、回転体１の軸に対して垂直方向の一方向に平行に磁化した２ 極の構成となっている。永久磁石２の大きさは直径が３ｍｍ 、厚さが１ｍｍ である。
磁界検出素子４ は、４ 個のホール効果素子からなり、永久磁石２ の外周面に対して空隙を介して対向し、かつ互いに電気角で９０ 度位相をずらしてＡ1 相検出素子４１ とＢ1 相検出素子４２ を設け、さらに  Ａ1 相検出素子４１ に対して電気角で１８０ 度位相をずらしてＡ2 相検出素子４３ を、Ｂ1 相検出素子４２ に対して電気角で１８０ 度位相をずらしてＢ2 相検出素子４４ を設けてある。
【０００９】
図２は駆動回路のブロック図ある。
図２において、５１は電流設定手段で、定電圧回路５１１とデジタルポテンショメータ５１２から構成されている。また、５２は電流指令値を選択する選択回路、５３は定電流源である。
【００１０】
図３は電圧モニタ回路のブロック図ある。
図において６１１は外部電源の供給を感知するモニタ回路、６１２、６１３はバックアップ付き電源を出力するためのダイオードである。外部電源の電圧はバッテリ電源の電圧より少し高めに設定してあり、ダイオード６１２、６１３による優先回路によって、外部電源が供給されているときは外部電源を出力し、外部電源が遮断されたときはバッテリ電源を出力する。
【００１１】
図４は信号処理回路のブロック図ある。
図４において、６２、６３は磁界検出素子４からの信号を増幅する差動増幅器、６５は差動増幅器の出力をデジタル信号に変換するＡＤコンバータ、６６、６７は差動増幅器の出力を矩形波信号に変換するコンパレータ、６８は多回転信号を生成するカウンタ、６９は位置信号を演算するＣＰＵである。ＣＰＵ６９は、ＡＤコンバータ６５の出力から１回転内角度を演算する角度演算手段６９１と、この１回転内角度信号と多回転信号を合成し、位置信号を生成する位置信号生成手段６９２を備えている。
本実施例が従来技術と異なる点は、外部電源の状態を感知する電圧モニタ回路６１の信号に応じて磁界検出素子４の駆動電流を変更する駆動回路５を備えている点である。
【００１２】
次に、本実施例の動作について説明する。
先ず、位置信号の生成動作について説明する。
図１において、回転体１が回転すると、回転体１に固定された永久磁石２が回転する。磁界検出素子４は、永久磁石２の発生する磁界を検出し、回転角に対して１回転に１周期の正弦波状の信号を出力する。
【００１３】
図４において、差動増幅器６２は、磁界検出素子４のＡ1相検出素子４１からの検出信号であるＡ1信号（Ｖa1）とＡ２相検出素子４３からの検出信号であるＡ2信号（Ｖa2）の入力を受けて両信号の差動信号Ｖaを出力する。また、差動増幅器６３は、Ｂ1相検出素子４２からの検出信号であるＢ1信号（Ｖｂ1）とＢ２相検出素子４４からの検出信号であるＢ2信号（Ｖｂ2）の入力を受けて両信号の差動信号Ｖｂを出力する。差動信号ＶaとＶbはお互いに９０度位相の異なる信号となる。差動信号ＶaとＶbはＡＤコンバータ６５に入力され、デジタル信号に変換される。ＣＰＵ６９の角度演算手段６９１は、デジタル変換された差動信号ＶaとＶbからａｒｃｔａｎ（Ｖa／Ｖb）の演算を行って１回転内角度信号を演算する。
また、差動信号Ｖa、Ｖbはコンパレータ６６、６７にそれぞれ入力され、矩形波信号に変換される。カウンタ６８は、この矩形波信号をカウントすることによって多回転信号を生成する。ＣＰＵ６９の位置信号生成手段６９２において、１回転内角度信号と多回転信号を合成することにより、多回転量の情報を有する角度信号（位置信号）を生成している。
【００１４】
次に、駆動回路の動作について説明する。
図２において、定電圧回路５１１は、安定した一定の電圧をデジタルポテンショメータ５１２に供給する。デジタルポテンショメータ５１２は、定電圧回路５１１の出力電圧を分圧し、外部電源供給時の電流指令値ａ１及びバッテリ電源供給時の電流指令値ａ２を選択回路５２に入力する。選択回路５２には外部電源の状態を知らせるモニタ信号が入力され、外部電源供給時は電流指令値ａ１が、バッテリ電源供給時は電流指令値ａ２が選択される。定電流源５３は選択された電流指令値に応じた駆動電流を磁界検出素子４に供給する。
なお、４ 個の磁界検出素子４の図示しない入力端子は直列に接続されており、共通の駆動電流が供給される。
【００１５】
次に、外部電源供給時と外部電源遮断時における駆動回路および信号処理回路の動作について説明が、先ず、外部電源遮断時に磁界検出素子４の駆動電流を小さく出来る理由について説明する。
本発明の磁気式エンコーダは、１回転内角度については、磁界検出素子４からの出力信号が１回転内の絶対角度の位置情報を持つため、外部電源が遮断されても、再度電源が投入された時点でその１回転内角度を知ることできる。従って、外部電源遮断時は多回転信号を検出するのに必要な部分にのみ、バックアップ電源を供給すればよい。
１回転内角度検出に対しては、磁界検出素子４からの出力信号の形状及び大きさが精度に影響するため、磁界検出素子４に比較的大きい駆動電流を流す必要があるが、多回転信号の検出に対しては、磁界検出素子４の出力信号に高い精度を要求せず、磁界検出素子４の駆動電流を小さくしても、その機能を実現できる。
【００１６】
そこで、外部電源が供給されているときは、電圧モニタ回路６１は、外部電源が供給されていることを示すモニタ信号を駆動回路５へ入力し、このモニタ信号によって、選択回路５２は電流指令値ａ１選択し、磁界検出素子４に精度の良い１回転内信号が得られるよう充分な駆動電流を供給する。
しかし、外部電源が遮断されバッテリ電源が供給されているときは、電圧モニタ回路６１は、バッテリ電源が供給されていることを示すモニタ信号を駆動回路５へ入力し、このモニタ信号によって、選択回路５２は電流指令値ａ２選択し、多回転信号のみを生成するのに必要な小さな駆動電流を供給する。
【００１７】
また、外部電源が供給されているときは、図４に示す信号処理回路６すべてに外部電源が供給されるが、外部電源が遮断されたときは、ＡＤコンバータ６５及びＣＰＵ６９に対しては、バッテリ電源を供給しないことによって、消費電流を低減している。
本実施例ではバッテリ電源時にＣＰＵへの電源を停止させているが、ＣＰＵにスリープモードがある場合、バッテリ電源を供給しても良い。
【００１８】
このように本実施例では、１Ｘ型のエンコーダにおいて、同一の磁界検出素子からの検出信号で１回転内角度信号と多回転信号を生成し、バッテリ駆動時は、この磁界検出素子に多回転信号のみ生成するのに必要な駆動電流を供給することにより大幅に消費電流を低減している。従って頻繁にバッテリを交換する必要が無いので、保守性の良い１Ｘ型の磁気式エンコーダ装置を提供することができる。
【実施例２】
【００１９】
図５は本発明の第２実施例示す信号処理回路のブロック図ある。
本実施例が第１実施例と異なる点は、第１実施例では、差動増幅器６２、６３の出力を
コンパレータ６６、６７に入力しているが、本実施例では、Ａ1相検出素子４１の出力信号（Ｖａ１）とＢ1相検出素子４２の出力信号（Ｖｂ１）をそれぞれコンパレータ６６、６７に入力している点と、差動増幅器６２、６３に外部電源のみを供給している点である。
【００２０】
このように、本実施例ではバッテリ駆動時に差動増幅器への電源供給を停止するのでさらに消費電力を低減できる。
【実施例３】
【００２１】
図６は、本発明の第３実施例を示す磁気式エンコーダ装置の構成図である。
図６において、１１は回転体、２０はリング形状永久磁石２１とリング形状磁石の外周に配置され磁性材料で構成されたリング形状磁気ヨーク２２とで構成される磁界発生ロータである。
磁界発生ロータ２０を構成する一方の部材であるリング形状永久磁石２１は、材質はフェライト系磁石、Ｓｍ−Ｃｏ系磁石、Ｎｅ−Ｆｅ−Ｂ系磁石、または各種磁石を高分子材料で結合した分散型複合磁石によって形成し、回転体１の軸に垂直方向と平行に一方向に磁化（磁化方向を矢印で図６中に示す）されＮ−Ｓの２極となっている。また、磁界発生ロータ２０を構成する他方の部材であるリング形状磁気ヨーク２２は、磁気抵抗を減少させ、磁界を１回転内の位置を検出する磁界検出素子４に磁界を集中させる効果があり、これにより磁界検出素子のＳＮ比を向上させることができる。さらに外界の磁気ノイズを遮断する効果もある。材質は、強磁性体であれば良く、例えば炭素鋼などである。
１回転内の位置および角度を検出する磁界検出素子４は、４個のホール効果素子からなり、永久磁石２１の内周面に対して空隙を介して対向し、かつ互いに電気角で９０度位相をずらしてＡ１相検出素子４１とＢ１相検出素子４２を設け、さらにＡ１相検出素子４１ に対して電気角で１８０度位相をずらしてＡ２相検出素子４３を、Ｂ１相検出素子４２ に対して電気角で１８０度位相をずらしてＢ２相検出素子４４を設けてある。
【００２２】
本発明が第１実施例と異なる部分は、リング形状永久磁石２１とリング形状磁石２１の外周に配置され磁性材料で構成されたリング形状磁気ヨーク２２とで構成される磁界発生ロータ備え、固定体３１に取り付けられた１回転内の位置を検出する４つの磁界検出素子をリング形状永久磁石２１に空隙を介して対向して配置した部分である。
駆動回路５及び信号処理回路６の構成及びその動作については第１実施例と同じであるので説明を省略する。
【００２３】
このように本実施例では、アウターロータ構造の１Ｘ型のエンコーダにおいて、同一の磁界検出素子からの検出信号で１回転内角度信号と多回転信号を生成し、バッテリ駆動時は、この磁界検出素子に多回転信号のみ生成するのに必要な駆動電流を供給することにより大幅に消費電流を低減している。従って頻繁にバッテリを交換する必要が無いので、保守性の良いアウターロータ構造の１Ｘ型の磁気式エンコーダ装置を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明によって多回転量を検出することによって小型で低い消費電力で多回転量を検出することができるので、絶対位置検出が必要な小型サーボモータに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施例を示す磁気式エンコーダ装置の構成図
【図２】本発明の磁気式エンコーダ装置の駆動回路のブロック図
【図３】本発明の磁気式エンコーダ装置の電圧モニタ回路のブロック図
【図４】本発明の磁気式エンコーダ装置の信号処理回路のブロック図
【図５】本発明の第２実施例を示す信号処理回路のブロック図
【図６】本発明の第３実施例を示す磁気式エンコーダ装置の構成図
【図７】従来の磁気式エンコーダ装置の構成図
【図８】従来の磁気式エンコーダ装置の信号処理回路のブロック図
【符号の説明】
【００２６】
１      回転体
２      永久磁石
２０    磁界発生ロータ
２１    リング形状永久磁石
２２    リング形状磁気ヨーク
３      固定体
４      磁界検出素子
４１    Ａ１相検出素子
４２    Ｂ１相検出素子
４３    Ａ２相検出素子
４４    Ｂ２相検出素子
５      駆動回路
５１    電流設定手段
５１１    定電圧回路
５１２    デジタルポテンショメータ
５２    選択回路
５３    定電流源
６      信号処理回路
６１    電圧モニタ回路
６１１  モニタ回路
６１２、６１３  ダイオード
６２、６３    差動増幅器
６４  角度演算回路
６５  ＡＤコンバータ
６６、６７    コンパレータ
６８    カウンタ
６９    ＣＰＵ
６９１  角度演算手段
６９２  位置信号生成手段
【図１】
2007114155.tif 000003
【図２】
2007114155.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2007114155.tif 000009
【図８】
2007114155.tif 000010